不锈钢焊接钢管超声波自动探伤中的缺陷相关评判方法
来源:至德钢业 日期:2020-05-26 12:48:15 人气:919
分析了不锈钢焊接钢管超声波自动探伤检测中的缺陷相关评判方法,配合编制的时间相关、位置相关、行为相关、特征相关、性质相关的5种相关法判伤软件程序,使自动化探伤系统具有了智能评判功能,可做到对复杂缺陷回波的准确评价和严格筛选,有效地避免了系统的误报警,可满足连续自动化探伤要求,并做到误报率<2%,漏报率为0。
超声波检测是一项比较完善和成熟的技术,多年来一直是不锈钢焊接钢管生产厂家的主要检测方法。由于超声波检测中使用的不是连续波,而是有一定持续时间、一定频率间隔发射的脉冲超声波以及回波信号的高频特性,另外由于探头的不断磨损、缺陷几何形状的差异及各种复合缺陷所形成的波形不确定性,人为因素影响也很大,因而如何提高探伤结果的有效性、可靠性便成了自动化探伤的重点。
缺陷相关评判方法是以相关技术为基础,把人的分析思维能力和理解判断能力同各种检测生产现场经验相结合,编制成时间相关、位置相关、行为相关、特征相关、性质相关的5种相关法判伤软件程序应用到自动化探伤过程中,使自动化探伤系统具有了智能判定功能,不但客观上保证了不锈钢焊接钢管检测的准确性和高效率,提高了检测系统的探伤可靠性和抗干扰能力,而且降低了检测生产成本,提高了探伤系统的集成度和智能化水平。因此,下面介绍不锈钢焊接钢管超声波自动探伤中的缺陷相关评判方法。
1检测理论基础
1.1相关技术
相关技术是以信息论和随机过程理论作为基础的一门边缘学科。随着信息科学的发展,相关技术在超声波探伤领域得到了日益广泛的应用。相关分析是工程测试信号处理的基本方法之一,其利用概率统计方法来描述和研究工程测试信号的相关关系,常用的统计量有自相关函数和互相关函数等。在测试结果的分析过程中,相关的概念是一个非常重要的概念。所谓“相关”是指变量之间的线性关系,也是指代表客观事物或过程中某两种特征量之间联系的紧密性。对于确定性信号来说,两个变量之间可用函数关系来描述,两者具有一一对应的数值关系,而两个随机变量之间就不具有这样确定的关系。但是如果在这两个变量之间具有某种内涵的物理联系,那么,通过大量统计就能发现它们之间还是存在着某种虽不精确但却具有相应的表征其特性的近似关系,可以用随机变量的统计描述方法来描述随机过程的统计特性,即在时延域上描述刻画一个随机过程,用于确定性的随机信号提取,以高精度的运算、控制和逻辑判断功能来代替大量人的体力和脑力劳动,减少了人为因素造成的误差,使得检测过程中缺陷定位、定性、定量的可靠性和完备性得到了大幅度地提高,为超声波探伤奠定更加良好的理论基础。
1.2通道工作时序和伤波数据
不锈钢焊接钢管超声波自动探伤系统在计算机给定的时钟下同步工作,每狀个周期为一个循环(狀为探头设置个数)。计算机时钟信号即为系统的同步基准脉冲,它的一个周期就是一个通道的工作周期。检测系统某一通道的信号工作时序图如图1所示。当各通道开始产生发射脉冲时,触发器经计算机时钟信号的上升沿触发置1,持续高电平;当有缺陷伤波、底波时,被触发置0,高电平终止,这样就形成一段时间的高电平。系统通过读高电平时间即可得到缺陷伤波、底波时间并转换成数字量Bt,Ft。如果此通道周期没有缺陷伤波、底波返回,这样高电平持续到计算机时钟信号下降沿时被触发变成低电平,从而形成犜/2宽度的高电平。现场检测的超声反射回波一般都在犜/4以内,因此≥犜/2的高电平被系统确认为无效的Bt,Ft信号,不作处理。
Bv,Fv信号在缺陷伤波、底波出现之前,保持为0V电压,在缺陷伤波、底波产生瞬间1μs之内,经峰值采样保持电路快速充电形成对应高度的直流电压信号。如100%波高量对应2V电压,50%波高量即对应1V电压,其直流电压信号一直保持到计算机时钟信号的下一个上升沿到来时止,被触发后迅速放电到0V电压。然后到下一个通道周期再被缺陷伤波、底波触发充电形成一定幅值的电压。供计算机作A/D处理。
Bt,Ft,Bv,Fv信号是探伤系统实现探伤灵敏度自动设定、报警闸门自动设置、灵敏度闭环控制、闸门实时跟踪以及缺陷智能化识别的判断和处理依据,是计算机执行智能判伤软件模块的缺陷相关评判重要数据。
1.3不锈钢焊接钢管缺陷的分布机理与危害
不锈钢焊接钢管的生产过程是将钢板、钢带等用各种成型方法直卷或按螺旋方向弯卷成要求的横截面形状,然后借助于加温、加压,用不同的焊接方法将焊缝焊合而获得钢管。因此,不锈钢焊接钢管的缺陷分为两部分,即钢板母材缺陷和焊缝缺陷。
1.4.1钢板母材缺陷
钢板母材中的缺陷经过轧制等工序,大部分呈平面状,与表面平行;其主要缺陷有分层、夹杂物、裂纹、折叠等,其中分层是最常见的内部缺陷。分层会产生各种裂纹,当钢板母材受垂直于表面的拉应力时,分层会严重影响钢管的强度,它是不允许存在的缺陷。
1.4.2焊缝缺陷
焊缝缺陷是指熔焊过程中或焊后在焊缝中产生的缺陷,分为裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、咬边等焊缝缺陷。焊缝中的密集气孔、夹渣等属密集立体型缺陷。裂纹、未熔合等属平面型缺陷,危害性大。条状夹渣、未焊透等属条状缺陷,危害性大。气孔、小夹渣等属点状缺陷。焊缝中的缺陷更容易引起钢管的强度、塑性等问题,严重影响钢管质量,而不锈钢焊接钢管质量的好坏直接影响到油气输送管线的安全运行和使用寿命,因而对于焊缝探伤主要是针对焊缝中的裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合等危险性缺陷进行。
2实施方案
2.1系统程序流程
系统程序流程:系统上电运行探伤操作程序→IPC机送下位机初始数据→中断响应进入单通道判伤报警程序→IPC机读取底波峰值电压Bv,缺陷伤波峰值电压Fv,底波距发射的时间Bt,缺陷伤波距发射的时间Ft信号及一组高速采样数据→分析计算处理数据→符合缺陷相关评判方法条件报警→显示器上画出高速采样波形→调整后的闸门、衰减量等参数存储,待下一循环送出→送出下一通道的闸门,衰减量等参数→返回探伤操作程序并等待响应下一次中断。
2.2缺陷相关评判方法
现场超声波自动化探伤检测是单向、单程的,一般不允许往复检测,因此需要有一次通过的检测准确率。但是现场在动态生产条件下,在线伤检一过即逝,一旦漏检误报无法追回和验证,并且自动化探伤系统的功能主要由软件实现,以不锈钢焊接钢管焊缝探伤为例介绍缺陷相关评判方法的设计说明,缺陷相关评判方法就是对缺陷伤波信号进行运用知识来分析判断和解决问题的运算方法程序。若将超声波在焊缝中反射的时间均匀分成8份,每份用δt表示,则缺陷相关评判方法的缺陷判伤报警条件为:
(1)|F狋狀-F狋狀-1|≤δt。(2)3.5δt≤(Bt-F狋狀)≤7δt。(3)连续有效缺陷个数狀≥4。条件(1)和(2)确立了实际可能伤点的允许条件,在同时满足条件(1),(2)外若还满足条件(3)时,自动报警模块比较回波波高的幅值,当回波波高的幅值超过设定的缺陷检测灵敏度的幅值高度时即判定为缺陷,自动报警功能自动发出报警信息。
2.2.1缺陷时间相关评判方法
条件(1)表示缺陷回波时间Ft有连续的相关特征,在连续的一小段时间范围内,连续相邻的两个缺陷回波时间Ft的差值≤1个δt。而条件(1)作为时间相关鉴别条件,进一步提高了抗干扰能力。比如δt为伤波闸门宽度的1/8,则抗干扰能力可提高8倍,若设定为δt/2,则抗干扰能力可提高16倍,即条件(1)所代表的软件程序使系统抗干扰能力提高了一个数量级。在满足检测系统最大重复频率及探伤检测速度的条件下,用户可以依据缺陷种类或探伤灵敏度重新设置δt,这样可极大地提高抗干扰能力。
2.2.2缺陷位置相关评判方法
条件(2)表示缺陷回波的检测范围是包围在始波和底波、前后两个界面波之中,每个伤波时间Ft与底波时间的平均值Bt的差值应在3.5δt~7δt间,以确保焊管焊缝中心区域被重复扫查并防止底波进入闸门造成的误报警。其中3.5δt的设置是为了防止底波的误报警,连续地进入缺陷伤波闸门的底波将不能报警,须是比底波时间的平均值Bt突发地超前3.5δt的缺陷伤波才能报警。而7δt设置是基于多数探伤标准中规定样管焊缝上样孔距边缘的距离为焊缝宽度的1/4,即2Δ犔,因而与另一边缘波(Bt波出现的边缘)的距离为6Δ犔。实际探伤过程中靠探头一侧焊缝边缘所产生的反射波较低,不会产生报警,所以如探伤要求高则可将7δt设置为8δt或8.5δt。因判伤条件通过软件程序实现,用户可方便地实现自己的意图,探伤过程中可根据报警情况适当调整,使公式BtF狋狀取1个合适的值,保证在最大限度降低误报的同时放宽检测范围。条件(2)作为位置相关鉴别条件,可极大地提高系统免误报能力,甚至当底波进入伤波闸门内,若不满足条件(3),系统也不会报警。
2.2.3缺陷行为相关评判方法
条件(3)表示非缺陷回波连续出现次数少或出现不连续,而缺陷回波是连续出现的,缺陷波连续出现的次数,即连续缺陷点的个数在4个以上时才被确认是缺陷回波,条件(3)作为行为相关鉴别条件用来提高系统抗干扰能力。可以根据实际检测情况需要,根据缺陷种类、探伤灵敏度以及不同的检测标准改变此值来更改判伤条件,比如对小的缺陷也确认为缺陷的话,可以将连续有效缺陷的个数减少,反之,小的缺陷不纳入判断时,可将数值改大。
2.2.4缺陷特征相关评判方法
缺陷出现的位置、出现的连续性、出现的时间范围和出现的取向等是多种多样的,对超声波的反射波高幅度也是不一样的,是与生产工艺、检测设备有一定相关联系的。采用的A型脉冲反射式超声波检测只能提供缺陷回波的时间和幅度两方面信息。根据缺陷回波出现的形状、大小、密集程度等缺陷特征和底波情况可进行缺陷特征的平面状缺陷、点状缺陷、密集状缺陷、条状缺陷相关估判。
2.2.4.1平面状缺陷
在焊缝两侧纵横两个不同方向上进行检测,其缺陷回波的高度显著不同且呈不规则变化,底波高度无明显变化。当缺陷回波很强,底波消失时可认为是大面积缺陷。在垂直于缺陷方向检测均显示单个锯齿形回波,缺陷回波较高,且波形明显尖锐陡峭,探头移动时回波幅度随机起伏较大(波幅差>±6dB);在平行于缺陷方向检测,缺陷回波较低,甚至无缺陷回波;在倾斜于缺陷方向检测,显示出钟形脉冲包络,该钟形脉冲包络中有一系列连续信号,通常表现为位置多变(但变化不大)的强烈多尖峰状,并出现很多小波峰,探头移动时,每个小波峰在脉冲包络中移动,波幅由零逐渐升到最大值,然后又下降到零,信号幅度随机起伏(>±6dB)。根据纵横方向上的缺陷回波的高度不同且呈不规则变化特征,可估评判为是平面状缺陷。
常见的平面状缺陷有裂纹、面状未熔合、面状未焊透等缺陷,这种缺陷有长度和明显的自身高度,表面既有光滑的,也有粗糙的。
2.2.4.2点状缺陷
在焊缝两侧纵、横两个不同方向上进行检测,其缺陷回波当量较小、并不一定很高,缺陷指示长度Δ犔≤狋(狋为壁厚),高度无明显变化、底波高度也无明显变化,当缺陷波与底波共存时,可认为是点状缺陷或面积较小尺寸的其它缺陷,缺陷回波显示一个光圆波(尖锐回波),这是小于声场直径的点状缺陷的波形特征,并且随管体的移动,缺陷回波的起伏变化很大且迅速。保持声程距离不变,根据纵、横方向上的缺陷回波的高度无明显变化且显示一个光圆波的特征,可估评判为是点状缺陷。
常见的点状缺陷有气孔、小夹渣等小缺陷,这种缺陷大多为呈球形的体积型缺陷,也有不规则形状的,属于小的体积性缺陷,可出现在焊缝中不同位置。
2.2.4.3密集状缺陷
在焊缝两侧纵横两个不同方向上进行检测,其缺陷回波的出现位置不同,显示次序呈不规则,每个单独的回波信号显示单个尖锐回波、而底波消失或高度降低。探头移动在不同位置检测时,回波信号显示一群密集缺陷回波,缺陷波密集并彼此相连且高低不同,反射信号此起彼伏、忽高忽低,假若可分辨,则每一个单独回波信号均显示点状缺陷的特征。根据纵横方向上的缺陷回波的位置和显示次序呈不规则、连续发生底波消失或底波幅度降低于50%的特征,可估评判为是密集状缺陷。
常见的密集状缺陷有密集气孔、再热裂纹等缺陷,这种缺陷是一群缺陷的集合,每个小缺陷彼此之间相隔距离很近,无法单独对每个小缺陷定位定量。
2.2.4.4条状缺陷
在焊缝两侧纵横两个不同方向上进行检测,其缺陷回波幅度通常很高且形状规则单一、高度大致相同且无明显变化,在较大范围内,连续出现缺陷回波且在同一位置,底波高度也无明显变化,只要信号不明显断开较大距离,缺陷基本连续,可测缺陷指示长度Δ犔。缺陷回波峰值平稳地由零升到峰值,并保持一段平直部分,然后又平稳地由峰值下降到零,从焊缝两侧都能检测到。根据纵横方向上的缺陷回波的高度大致相同无明显变化、回波峰值平稳地上升和下降的特征,可估评判为是条状缺陷。
常见的条状缺陷有条状夹渣、未焊透、未熔合等,这种缺陷可测指示长度,但不易测其断面尺寸(高度和宽度);然而在长度方向也可能是间断的,如链状夹渣、断续未焊透、断续未熔合等。
2.2.5缺陷性质相关评判方法
估判为点状缺陷后,测定缺陷的平面位置及深度位置。估判为平面状缺陷、密集状缺陷、条状缺陷后,测定缺陷的平面位置及深度位置后,再进一步测定缺陷长度、倾斜度、定向反射特性及动态波形等,然后结合被测管体结构、坡口形式、管体材质、焊接工艺、焊接方法及探头扫查方式、缺陷几何位置等进行综合判断,最终估判出平面状缺陷、密集状缺陷、条状缺陷的实际属性。
2.2.5.1缺陷长度、倾斜度测定
缺陷长度和缺陷倾斜度可采用端点衍射波法或端点最大波高法测定。测定时找不到端点衍射波或端点最大反射波时,可采用6dB法测定。由于实际焊缝中缺陷的取向、性质、表面状态等都会影响缺陷回波高度,因此缺陷的指示长度总是小于或等于缺陷的实际长度,所以当用6dB法测定缺陷长度时还应对缺陷长度进行适当修正。而且对于比较均匀且大于声束截面的缺陷用6dB法测长,是比较合适的(如裂纹、未焊透等),但对于形状不规则的条状夹渣之类的缺陷,测得的指示长度就偏小,而对于气孔之类的缺陷所测得的指示长度偏大。而且还有这样一种情况,即不管气孔尺寸怎样,只要它小于声束直径,则测得的指示长度都等于声束截面尺寸。所以,在焊缝超声波探伤中,为了使测得的缺陷指示长度尽可能接近缺陷的实际长度,应进行适当修正。
2.2.5.2缺陷定向反射特性测定
缺陷定向反射特性测定是采用相同频率不同入射角(入射角差值应≥10°)的横波斜探头探测同一缺陷,分别测得来自同一缺陷的最高反射波(记为犎max和犎min),假若满足|犎max-犎min|≥9dB,则认为该缺陷具有定向反射特性,应进一步测定其倾斜度。在测试缺陷定向反射特性时,应确保管体母材两面平行,声波扫查通过的母材区无影响评定的缺陷。当两种不同角度的探头探测时,如声程不同,应对声程不同引起的材质衰减dB差和距离波幅dB差进行修正。因为尺寸相同的缺陷反射回波高度随距探头的距离远近而不同,远场区回波幅度随距离增大而下降,这样,就不能通过观察回波幅度的大小直接评定不同埋深的缺陷尺寸。在实际检测中利用深度(声程)自动补偿电路,可以适当降低近区的检测灵敏度,随着检测深度(声程)的加大,亦即时间延伸,自动地提升增益,使同尺寸不同埋深的缺陷回波显示的高度大致相等,从而可以满足检测的需要。
2.2.5.3缺陷动态波形相关评判
超声检测中发现缺陷时,随着管体移动,不同形态的缺陷的回波高度的变化轨迹是不同的。缺陷反射波幅度随管体运动距离而变化的曲线称为缺陷的动态波形。通过观察动态波形,可以为缺陷形状以及缺陷性质的相关评判提供理论依据。
缺陷动态波形相关评判主要是依靠管体移动过程中动态波形的变化和缺陷的表面状态来估判缺陷的性质。它是假定缺陷由许多微元面积组成的,这些微元面积又是按照不同的方位排列起来的。例如,可以把未熔合面看作是微元面积排列在一条直线上组成的,裂纹是按折线排列组成的,而条状夹渣则可看作按照圆滑曲线排列组成的。在从任何方向检测时,波形都可以看作是这些微元面积的反射信号叠加的结果。微元面积的排列情况不同,信号的叠加情况亦不同,同一个缺陷从不同方向检测时,产生的信号的叠加情况也不同。可以从管体在移动过程中动态波形的变化情况判断出微元面积的排列情况,以达到估判出缺陷的实际属性。
3应用效果
该超声波自动探伤系统经过4年多的现场使用和完善,使用效果良好,并做到误判率<2%、漏检率为0,已向国内外各油田用户交付使用。经过该系统检测的各种直径规格钢管,累计42万吨,探伤质量稳定可靠。自2008年12月起,连续4年通过辽宁省计量科学研究院每年一次的周期检定,表1为2011年12月辽宁省计量科学研究院对该系统的年度周期检定时的测试结果,结果表明该系统的各项技术参数指标均满足APIspec5L标准中的探伤检测要求。
4结论
综上所述,该不锈钢焊接钢管超声波自动探伤检测系统中的缺陷相关评判方法向智能化检测仪器方向迈出了重要的一步。以相关技术为基础,编制了时间相关、位置相关、行为相关、特征相关、性质相关的5种相关法判伤软件程序,克服了许多人为因素的影响,其检测可靠性、抗干扰能力和判伤准确性得到了大幅度提高,可满足连续自动化探伤要求。尽管不能绝对地消除系统探伤中的误报,但已经消除了系统的漏报,各项技术指标达到预期设计目标。